Materija u svemiru ne distribuira se jednako. U njemu dominiraju super-nakupine i vlakna materije koja ih spajaju okružena ogromnim prazninama. Super-klasteri Galaksije nalaze se na vrhu hijerarhije. Unutar njih je sve ostalo: galaksije i klasteri, pojedinačne galaksije i solarni sustav. Ova hijerarhijska struktura naziva se "kozmička mreža".
Ali kako i zašto je Svemir poprimio ovaj oblik?
Tim astronoma i računalnih znanstvenika sa Sveučilišta u Kaliforniji Santa Cruz iskoristio je zanimljiv pristup to shvatanje. Izgradili su računalni model na temelju obrazaca rasta kalupa za sluz. Ovo nije prvi put da su kalupe za sluz pomogle objasniti druge obrasce u prirodi.
Tim je objavio studiju u kojoj je iznio svoje rezultate pod nazivom "Otkrivanje mračnih niti kozmičke mreže". Glavni autor je Joseph Burchett, postdoktorski istraživač astronomije i astrofizike u UC Santa Cruz. Studija je objavljena u The Astrophysical Journal Letters.
Suvremena kosmološka teorija predviđa da će materija poprimiti oblik ovih super-nakupina i niti i ogromnih praznina koje ih razdvajaju. Ali sve do 1980-ih, znanstvenici su smatrali da su klasteri galaksija najveća struktura, a također su mislili da su ti klasteri raspoređeni ravnomjerno po cijelom Svemiru.
Tada su otkriveni super-klasteri. Zatim grupe kvazara. Krenulo je to, s sve više otkrića građevina i praznina. Zatim je uslijedila Sloan Digital Sky Survey i ogromna 3D karta svemira, te drugi napori poput simulacije tisućljeća.
Vlakne materije koje spajaju sve ove super-nakupine i grupe galaksija teško je vidjeti. Uglavnom, to je samo difuzni vodik. Ali astronomi su uspjeli vidjeti to.
Unesite kalup za sluz. Slim plijesni su jednocelični organizmi koji savršeno lijepo žive kao pojedinačne stanice, ali također autonomno tvore agregatne višećelijske strukture. Kad je hrane u izobilju, djeluju sami, ali kada je hrana oskudnija, oni se udružuju. U kolektivnom su stanju bolje u otkrivanju kemikalija, pronalaženju hrane i mogu čak formirati stabljike koje proizvode spore.
Kalupi od sluzi su izvanredna stvorenja, a znanstvenike je zbunjivala i zaintrigirala sposobnost bića da "stvara optimalne distribucijske mreže i rješava računalno teške probleme prostorne organizacije", kaže se u priopćenju. U 2018. godini, japanski su znanstvenici izvijestili da je kalup od sluzi mogao ponoviti izgled tokijskog željezničkog sustava.
Oskar Elek je postdoktorski istraživač računskih medija na UC-u, Santa Cruz. Predložio je voditelju Josepha Burchetta da kalupe iz mulja mogu oponašati kozmičku raspodjelu materije i pružiti joj način vizualizacije.
Burchett je u početku bio skeptičan.
"To je bio nekakav Eureka trenutak, i uvjerila sam se da je model kalupe za nas pravi put prema naprijed."
Joseph Burchett, glavni autor. U C, Santa Cruz.
Izvodeći se na dvodimenzionalnom nadahnuću iz svijeta umjetnosti, Elek i drugi programer stvorili su 3-D algoritam ponašanja kalupa za sluz koji nazivaju Monte Carlo Physarum Machine. Physarum je modelni organizam koji se koristi u svim vrstama istraživanja.
Burchett je odlučio Eleku dati podatke iz Sloan Digital Sky Survey-a koji sadrži 37 000 galaksija i njihovu raspodjelu u prostoru. Kad su pokrenuli algoritam klizanja mulja, rezultat je bio "prilično uvjerljiv prikaz kozmičkog weba."
"To je bio nekakav Eureka trenutak, i uvjerio sam se da je model kalupe za nas pravi put prema naprijed", rekao je Burchett. "To je nekako slučajno da djeluje, ali ne u potpunosti. Kalup za sluz stvara optimiziranu prometnu mrežu, pronalazeći najučinkovitije puteve za povezivanje izvora hrane. U kozmičkom webu rast strukture proizvodi mreže koje su, u određenom smislu, i optimalne. Temeljni procesi su različiti, ali oni daju matematičke strukture koje su analogne. "
No iako je uvjerljiv, muljevit oblik bio je samo vizualni prikaz strukture velikih razmjera. Tim se tu nije zaustavio. Pročistili su algoritam i napravili dodatne testove kako bi pokušali potvrditi svoj model.
Ovdje u priču ulazi Dark Matter. Na jedan način, struktura svemira velikih razmjera je distribucija tamne materije velikih razmjera. Galaksije se formiraju u ogromnim oreolima Tamne materije, a duge vlaknaste strukture povezuju ih. Tamna materija čini oko 85% materije u Svemiru, a gravitacijsko povlačenje svega onoga što Tamna materija oblikuje raspodjelu "regularne" materije.
Tim istraživača pribavio je katalog oreola tamne tvari iz druge znanstvene simulacije. Potom su izveli svoj algoritam temeljen na kalupu s tim podacima kako bi vidjeli može li kopirati mrežu niti koja povezuje sve te haloge. Rezultat je bila vrlo uska povezanost s izvornom simulacijom.
"Počevši od 450 000 oreola tamne materije, mi možemo dobiti gotovo savršeno prilagođavanje poljima gustoće u kosmološkoj simulaciji", rekao je Elek u priopćenju.
Algoritam kalupa za sluz ponavljao je filamentnu mrežu, a istraživači su te rezultate koristili kako bi još više precizirali svoj algoritam.
U tom je trenutku tim imao predviđanje strukture strukture velikih razmjera i kozmičkog weba koji povezuje sve. Sljedeći je korak bila usporedba s različitim nizom podataka promatranja. Za to su otišli u časni svemirski teleskop Hubble. Spektrograf kozmičkog podrijetla teleskopa (COS) proučava strukturu svemira velikih razmjera pomoću spektroskopije intergalaktičkog plina. Taj plin ne emitira nikakvu svjetlost, pa je spektroskopija ključna. Umjesto da se usredotoči na sam plin, COS proučava svjetlost iz udaljenih kvazara dok prolazi kroz plin i kako intergalaktički plin utječe na tu svjetlost.
"Znali smo gdje bi vlakna kozmičkog spleta trebala biti zahvaljujući muljevskom kalupu, tako da smo mogli otići do arhiviranog Hubble spektra za kvazare koji pretražuju taj prostor i tražiti potpise plina", objasnio je Burchett. "Gdje god smo vidjeli filament u našem modelu, Hubble-ovi spektri pokazali su plinski signal, a signal se pojačavao prema sredini niti, gdje bi plin trebao biti gušći."
To zahtijeva drugu Eureku.
"Sada po prvi put možemo kvantificirati gustoću intergalaktičkog medija od udaljenih rubnih dijelova kozmičkih mrežnih niti do vrućih, gustih interijera klastera galaksija", rekao je Burchett. "Ovi rezultati ne samo da potvrđuju strukturu kosmičke mreže koju predviđaju kozmološki modeli, već nam daju i način da poboljšamo naše razumijevanje evolucije galaksije povezujući je s rezervoarima plina iz kojih izlaze galaksije."
Ovo istraživanje pokazuje što se može postići ako različiti istraživači izađu iz svojih silosa i surađuju kroz različite discipline. Kozmologija, astronomija, računalno programiranje, biologija, pa čak i umjetnost, svi su pridonijeli ovom najzanimljivijem ishodu.
"Mislim da mogu postojati stvarne prilike kada integrirate umjetnost u znanstvena istraživanja", rekao je koautor Angus Forbes iz UCSC laboratorija za kreativno kodiranje. „Kreativni pristupi modeliranju i vizualizaciji podataka mogu dovesti do novih perspektiva koje nam pomažu u razumijevanju složenih sustava.“
Više:
- Priopćenje za javnost: Astronomi koriste model kalupa za sluz kako bi otkrili tamne niti kozmičke mreže
- Istraživački rad: Otkrivanje tamnih niti kozmičke mreže
- Svemirski magazin: Nova 3-D karta pokazuje velike strukture razmjera u svemiru prije 9 milijardi godina
